基于TTS技術和腦電采集設備的精神疲勞實驗系統設計與實現

精神疲勞是現代社會中的重要問題，嚴重影響了人們的生命和健康。在交通駕駛、航天航空、實時監控、高風險作業等行業，許多事故的發生都與精神疲勞有關，因此，對精神疲勞的分析及評價就顯得非常必要。
自對疲勞進行研究以來，精神疲勞的測定經歷了生理生化法、主觀評定法、生理反應測定法等方法。這些傳統方法因有很大的局限性而很難做到客觀和定量化。隨著現代電子技術和醫學信號檢測與處理技術的發展，基于生理參數信號(腦電信號、心電信號等)的精神疲勞測定技術的研究受到越來越多的關注。
在精神疲勞的研究中，受試者的精神疲勞狀態一般通過不同的精神疲勞實驗來產生，并對相應的精神疲勞狀態進行量化標定。其中，讓受試者進行某種作業，通過統計每次的完成時間或成功率來對受試者的疲勞狀態進行標定是一種廣泛采用的方法。Atsuo Murata等在其研究中讓受試者根據CRT顯示的兩個三位數做加法，根據其完成時間和正確率給出疲勞狀態的標定，該方法中，受試者對計算機給出的操作命令需要經過一定的心算或者判斷過程來完成。文獻中通過聽覺操作命令為實驗任務的方法，在按一定時間間隔播放的聲音序列中，隨機插入動作命令集合(上下左右)中的某一個，受試者聽到聲音命令后按下鍵盤上預先設定好的鍵，依據受試者操作正確率來標定其疲勞狀態。隨著實驗進行受試者精神達到一定疲勞狀態，由于操作命令相對簡單，這種情況下，依照操作正確率標定的疲勞狀態不能準確反映受試者的疲勞狀態。本文采用基于腦電信號的精神疲勞測定技術，將TTS技術應用到精神疲勞實驗系統中，嘗試通過控制大腦認知問題的難度來提高精神疲勞實驗的可控性，為后續精神疲勞的研究提供更可信有效的數據。

1 實驗系統總體設計
1．1 實驗系統總體設計思路
TTS技術，又稱文語轉換技術，它是將計算機自己產生的或外部輸入的文字信息轉換為能被人理解的、流利的語言輸出的技術。Microso ft Speech SDK 5．1全面支持中文語音應用程序的開發。SDK中的底層協議都以COM組件的形式完全獨立于應用程序層，語音相關的工作由COM組件來完成，程序員只需根據應用程序的需要調用相關的語音應用程序接口(SAPI)就可以實現語音功能。通過編制相應的軟件程序，調用Microsoft Speech SDK 5．1的動態鏈接庫，利用系統中安裝的TTS引擎將精神疲勞實驗中隨機生成的一個等式判斷命令語句由文本轉換為語音讀出來，受試者以聽覺判斷命令為實驗任務，同時由腦電采集設備采集腦電信號，然后根據受試者完成作業的質量對相應腦電信號數據進行疲勞狀態的定量標定。
基于TTS技術和腦電采集設備的精神疲勞實驗系統的總體設計流程如圖1所示。

1．2 硬件配置及開發環境
硬件配置條件：
1)計算機
實驗用標準配置計算機一臺，另有耳塞式耳機或音箱。
2)腦電信號采集設備
腦電信號的采集要通過專用的儀器設備完成，以實現安全、有效、可靠的獲取人的腦電信號數據供進一步的分析處理。腦電采集設備種類繁多，文中使用由g．tec公司生產的g．USBamp信號放大采集設備，電極位置按照國際10—20標準導聯系統的電極安放，詳細電極位置見文獻。
開發環境配置條件：
軟件運行環境為Win7系統，安裝有Microsoft Simplified Chinese語音引擎，開發工具為VC6．0。

2 實驗系統各模塊設計與實現
本實驗系統的目的是完成標定有相應精神疲勞狀態的腦電信號數據的采集存儲，實驗系統主要包括兩個部分：腦電采集和聽警覺作業。
腦電采集是通過腦電采集設備完成對受試者腦電信號的采集，聽警覺作業是讓受試者對聽到的判斷命令進行判斷選擇，同時系統會記下受試者每次選擇判斷的時間和正誤，最后依據作業完成質量對疲勞狀態進行量化標定。實驗首先進行腦電信號的采集，在腦電信號開始采集的初始階段，只采集受試者的腦電信號，直到聽警覺作業開始的同時才進行腦電數據的存儲。這樣即丟棄了開始采集腦電信號時因設備不穩定而獲取的不準確數據，同時保證了存儲下來的數據是受試者在作業過程中的腦電信號數據。這兩部分工作分別由2個線程來完成。

2．1 腦電采集模塊
腦電信號采集部分由數據采集線程來完成，其主要實現過程如圖2所示。

m_EEGRunFlag為數據采集狀態標志，開始腦電采集后，開啟腦電數據采集線程。腦電信號的獲取是由g．tec公司提供的API函數編程實現的，創建overlapped結構事件對象的目的是避免阻塞線程，系統調用獲取數據的函數時可以立即返回，但是直到overlapped結構中事件被觸發數據才是有效的，用WaitForSingleObject()函數來判斷數據傳輸是否結束，用GetOvedappedResuk()函數來檢索獲取的有效字節數目。此時在線程中只獲取而不存儲腦電數據，直到m_RunFlag為TRUE才開始腦電數據的存儲。
2．2 聽警覺作業模塊
聽警覺作業部分由作業線程來完成，其主要實現過程如圖3所示。

m_RunFlag為聽警覺作業狀態標志，開始作業后，開啟作業線程。開始聽警覺作業的同時開始數據采集線程中數據的存儲。受試者聽到聲音后，對判斷命令進行選擇判斷，兩次朗讀判斷命令時間間隔由定時器控制，受試者操作結束后，等待定時器被觸發系統朗讀下一次判斷命令。當判斷命令達到50次時，m_RunFlag置為FAISE，同時數據采集線程中不再存儲數據，保存受試者作業信息，作業線程結束。其中，TTS朗讀判斷命令和受試者選擇操作的實現過程如圖4所示。

a、b、c為隨機生成的整數，a、b、c的范圍可自由調整，通過調整a、b的范圍可以調整作業的復雜度，圖4中選擇進行20以內整數的加法。c由a、b隨機得到，最終生成的文本內容可能正確可能錯誤(如：可能是3+5=8或者15+7=19)。受試者在聽到判斷命令后，經過心算判斷系統讀出的判斷命令的正誤，然后按下鍵盤上預先設定好的鍵(如：錯誤按←，正確按→)。受試者在聽到判斷命令后的1．5 s內按鍵視為有效操作，如果受試者沒有在有效時間內按鍵或者沒有按鍵視為此次操作錯誤。如果判斷正確，對應正確操作次數m_Tnum加1。